平面Poiseuille流的稳定性:微尺度、粘性分层及波形壁的影响

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本文讨论了有关平面Poiseuille流稳定性的三个重要问题,即微尺度、粘性分层及波形壁的对流动稳定性影响。首先,随着两平板间间距尺度的减小,平板间流动(称作微流动)的行为将偏离宏观流动。基于连续介质假设的NS方程往往不再适用,需要基于分子运动的理论来进行研究。当流动的克努森数为0.01左右时,正好处于连续介质假设适用的边沿,可以用修正后的NS方程来研究。本文首先讨论了克努森数不是特别大的微流道内平面Poiseuille流的稳定性问题。用表观粘性代替液体的真实粘性,结果显示:由于靠近壁面处流体分子运动受阻,流速分布出现了拐点,导致流动失稳临界雷诺数小于传统值,即流动更容易失稳。随后,在分子理论的基础上,进一步研究了微流道内液体表观粘性系数的分布。证实了在一定条件下,靠近壁面处的液体表观粘性比其真实粘性要大很多,但该粘性变化随离壁距离衰减很快。从计算结果来看,影响深度只有几纳米。论文的第二部分讨论了宏观流动稳定性情况。首先研究了粘性分层平面Poiseuille流的稳定性,建立了断面模型、单膜模型、双膜模型来模拟液-液界面。计算结果可以看出,断面模型得到的临界雷诺数最低,其次是双膜模型,而单膜模型的临界雷诺数最高。从界面结构看,双膜模型的计算结果应该最合理的。最后,又利用坐标变换,研究了小振幅周期性波形壁流道内的平均流速分布及其流动稳定性,发现波形壁对流动稳定性有很大影响,使流动更易失稳。所有计算均采用Chebyshev配置点法。上述研究结果为今后微萃取反应器研究打下了坚实的理论基础。
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